BR112016003202B1

BR112016003202B1 - Dispositivo de separação de membrana de fibra oca

Info

Publication number: BR112016003202B1
Application number: BR112016003202-0A
Authority: BR
Inventors: George E. Mahley Iii
Original assignee: Cameron Solutions, Inc
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2014-08-20
Publication date: 2021-11-09
Also published as: EP3038739B1; US20150053085A1; MY173239A; AU2014311591B9; US9186629B2; AU2014311591B2; EP3038739A1; BR112016003202A2; WO2015031133A1; AU2014311591A1; SG11201600858QA

Abstract

módulo de separação de membrana de fibra oca, extremidade única, alimentação lateral da carcaça. a presente invenção refere-se a um módulo de separação de fluido de fibra oca, com carcaça de alimentação lateral disposto para o contrafluxo inclui um feixe de membranas de fibra oca com cada membrana de fibra oca (31) no feixe (30) tendo uma extremidade de fibras abertas (39) e uma extremidade de fibras vedadas (43). as extremidades de fibras abertas (39) são encapsuladas em uma chapa de tubo (19) situada em direção à extremidade de saída do fluido permeado (17) do módulo (10). as extremidades de fibras vedadas (43) são isentas de chapa de tubos, uniformemente espaçadas, e localizadas em direção à extremidade de saída de fluido não permeado (41) do módulo (10).

Description

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se à alimentação lateral da carcaça em dispositivos ou módulos para a separação de gases que utilizam membranas de fibras ocas que exibem permeabilidade seletiva a fluidos tais como gases. A invenção também pode ser utilizada em dispositivos ou módulos de separação de vaporização ou de líquidos.

[002] Módulos de separação de gás de fibra oca e alimentação lateral da carcaça na técnica anterior têm cada extremidade das fibras ocas encaixadas ou encapsuladas em uma chapa de tubos, com uma chapa de tubos localizada em direção a uma entrada de alimentação de gás do dispositivo e outra chapa e tubos localizada em direção a permear a saída de fluxo de gás. Se um arranjo de fluxo em contracor- rente for desejado - isto é, entre o gás que flui no lado que permeia das fibras ocas e esse que flui sobre lado que não permeia então, uma chapa de tubo tem o fluxo de gás que permeia bloqueado para ela, bloqueando assim os furos de fibras ocas na extremidade de saída do fluido não permeado. A chapa de tubo bloqueada então se torna uma obstrução ao fluxo de gás de alimentação.

[003] Normalmente, o bloqueio do furo da fibra é feito por revestimento de toda a extremidade do feixe de fibras em uma chapa de tubo onde as fibras não se estendem por todo o caminho. Se as extremidades da fibra estiverem abertas enquanto esta chapa de tubo lateral não permeada é formada, então as fibras vão ser obturadas com o material de encapsulamento da chapa de tubos bem como sendo coletivamente envolvidas.

[004] Os furos das fibras ocas são necessários apenas para estar abertos na extremidade de saída do fluido não permeado se um gás de varrição for introduzido. Se a folha de tubo for acabada para ter ambas as extremidades das fibras abertas, então a chapa de tubo localizada em direção a extremidade de saída do fluido não permeado terá de ser bloqueada por outros meios tais como uma chapa ou pintura da face da chapa de tubo com um material que obture as fibras.

[005] Alguns projetos tentam mitigar o problema de obstrução usando tubos para criar percursos de fluxo discretos (Ver, por exemplo, a Patente dos EUA N° 5.207.906 de Auvil et al.). Outros projetos incluem circuitos de fibras que começam e terminam na mesma chapa de tubo eliminando assim a chapa de tubo bloqueada.

[006] Existe uma necessidade de um módulo de separação de fluido de fibra oca e alimentação lateral da carcaça que possa lidar eficientemente com um arranjo de fluxo em contracorrente sem obstruir o fluxo de fluido de alimentação enquanto impedir que o fluido de alimentação de vazar para dentro do furo de membranas de fibras ocas. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[007] Um dispositivo de separação de fluido de fibra oca e alimentação lateral da carcaça feito de acordo com esta invenção tem uma extremidade das fibras ocas encaixadas coletivamente em uma chapa de tubo e a outra extremidade das fibras vedada individualmente, em pequenos grupos, ou em padrões. Estes padrões de fibras unidas, vedadas, tais como um ou mais círculos concêntricos em torno de um tubo perfurado no centro, são concebidos para neutralizar quaisquer padrões de fluxo não ideais causados pelo fluido de alimentação sendo introduzido no o diâmetro interno do feixe de fibras ocas. As fibras ocas encapsulada na chapa de tubo fornecem coleta e remoção do fluido permeado do lado do furo de baixa pressão. As fibras ocas vedadas fornecem distribuição de fluxo melhorada da mistura de fluido de maior pressão a ser alimentada para o espaço exterior das fibras.

[008] Objetos da presente invenção são proporcionar um módulo de separação de fluido de fibra oca (1) que não obstrua o fluxo de gás de alimentação sob um arranjo de fluxo em contracorrente; (2) melhore o desempenho de separação em aplicações em que a pressão no interior da fibra não seja um fator significativo na determinação do desempenho de separação, em comparação com os módulos de fluxo cruzado com ambas as chapas de tubo abertas para o fluxo permeado; (3) pode ser usado em aplicações de remoção CO2 e de alta e baixa pressão; (4) não depende de cada uma das extremidades das fibras ocas ser encaixada ou encapsulada em uma chapa de tubos; (5) melhora a distribuição do fluxo da mistura de fluido a maior pressão sendo alimentada para o espaço exterior das fibras em comparação com os módulos de contrafluxo da técnica existente; e (6) reduz o custo de produção e custo operacional do dispositivo em geral.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[009] A Figura 1 é uma vista em corte transversal de uma concretização preferida de um dispositivo ou módulo de separação de fluido de fibra oca, com carcaça de alimentação lateral, feito de acordo com esta invenção. O dispositivo está preparado para o contrafluxo, com uma extremidade de fluxo permeado de cada fibra oca encaixada em uma chapa de tubo e uma extremidade de fluxo não permeado de cada fibra oca vedada (isenta de chapa de tubo).

[010] A Figura 2 é uma vista do módulo da Figura 1 tomada ao longo da linha de corte 2-2.

[011] A Figura 3 é uma vista do módulo da Figura 1 tomada ao longo da linha de corte 3-3.

[012] A Figura 4 é um gráfico comparando a capacidade de um módulo de separação feito de acordo com a invenção ("extremidade única" ou "SB") com um dispositivo da arte anterior de tamanho equivalente ("o módulo de padrão", um módulo de fluxo cruzado com ambas as chapas de tubo aberas para o fluxo de permeado).

[013] A Figura 5 é um gráfico comparando o desempenho de se- paração dos módulos da Figura 4.

[014] A Figura 6 é um gráfico comparando os resultados do teste de ar das Figuras 4 e 5 ao ideal (modelo de computador) contrafluxo e fluxo cruzado.

[015] A Figura 7 é um gráfico comparando o desempenho de separação do módulo de extremidade única com o contrafluxo ideal.

[016] A Figura 8 é um gráfico comparando o desempenho de separação do módulo padrão com o contrafluxo ideal.

[017] A Figura 9 é um gráfico comparando a capacidade do módulo de extremidade única com o contrafluxo ideal.

[018] A Figura 10 é um gráfico comparando a capacidade do módulo padrão com o contrafluxo ideal.

[019] Números de elementos e elementos, utilizados nos desenhos: 10 Módulo de separação de extremidade única e conjunto da carcaça 11 Invólucro/invólucro de pressão 13 Entrada de fluido de alimentação 15 Saída de fluido não permeado 17 Saída de fluido permeado 19 Chapa de tubo 20 Cartucho 11 21 Tubo perfurado (em uma extremidade) 30 Feixe de membrana de fibras ocas 31 Membrana de fibra oca individual 33 Parede externa de 31 35 Furo de 31 37 Tampa removível extremidade de saída de fluido permeado de 11 39 Extremidade de fibra aberta de 31 41 Extremidade de saída de fluido não permeado de 11 43 Extremidade de fibra vedada de 31 45 Defletor circundante 30

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS

[020] Até à data, não tem havido quaisquer projetos de módulo de separação de fluido de membrana de fibra oca e alimentação lateral da carcaça os quais vedem as fibras ocas ou grupos de fibras ocas individuais numa extremidade sem a utilização de uma chapa de tubos com a finalidade de permitir distribuição de fluxo melhorada através do feixe de fibras ocas.

[021] Fazendo referência às Figuras 1 - 3, uma concretização preferida de um dispositivo ou módulo 10 de separação de fluido de fibra oca, com carcaça de alimentação lateral, de extremidade única feito de acordo com esta invenção inclui uma, carcaça vedada ou invólucro de pressão de forma cilíndrica 11 tendo uma entrada de fluido de alimentação 13, um retido ou saída de fluido não permeado 15, e uma saída de fluido 17 de resíduo ou fluido permeado. O invólucro de pressão 11 hospeda um cartucho de forma cilíndrica 20 que inclui um núcleo interno de forma tubular, sob a forma de um tubo perfurado 21 rodeado por um feixe de membranas de fibra oca 30. O invólucro de pressão 11 e cartucho 20 estão dispostos de modo coaxial. O tubo perfurado 21 é perfurado na extremidade oposta da extremidade de alimentação.

[022] O feixe de membranas de fibra oca 30 inclui uma pluralidade de membranas de fibras ocas individuais 31 que são enroladas em torno do tubo 21. Alternativamente, as fibras 31 podem ser dispostas em feixes os quais são então enrolados em torno do tubo 21. O feixe 30 é rodeado por um defletor 45 que evita que o fluido de atravessar ou passar para o exterior do feixe 30.

[023] Conforme discutido em "Elemento do filtro de membrana com diversos tipos de fibras," de Peters et al, WO2010/096455 AL aqui incorporada por referência, o feixe 30 pode ser fabricado a partir de um único tipo de fibra oca ou de dois ou mais tipos diferentes de fibras ocas. Por exemplo, as fibras 31 localizada numa primeira zona circun- ferencial do feixe 30 e aquelas localizadas em uma segunda zona cir- cunferencial podem ser diferentes e, portanto, têm características de desempenho diferentes.

[024] Independentemente de saber se as fibras ocas individuais 31 são enroladas sobre o tubo 21 ou agrupadas e em seguida, enroladas, as fibras 31 estão dispostas de modo que a parte de fluxo de fluido (Por exemplo, gás ácido ou outros componentes indesejáveis) que permeia a parede externa 33 da fibra 31, e entra no orifício 35 da fibra 31, sai através da saída de líquido permeado 17. O fluxo de fluido não permeado, que flui para fora das fibras 31, sai através do fluido não permeado, saída 15.

[025] Ao contrário da técnica anterior, que tem extremidades abertas em cada uma das extremidades das membranas de fibras ocas, ou que encapsula as extremidades abertas do feixe em uma chapa de tubo - ou contra módulos da técnica anterior os quais têm - uma extremidade obturada ou bloqueada pela chapa de tubos ou fibras aneladas dentro da chapa de tubos - um módulo 10 feito de acordo com esta invenção possui uma extremidade de fibras abertas 39 encapsulada em uma chapa de tubos 19 e uma extremidade de fibra vedada 43 que é isenta de chapa de tubo. As extremidades de fibras abertas 39 passam através da chapa de tubos 19 localizadas em direção à extremidade de saída do fluido permeado 37. As extremidades da fibra vedadas 43 estão localizadas em direção à extremidade de saída do fluido não permeado 41.

[026] As extremidades da fibra vedadas 43 podem ser vedadas por meios tais como, mas não a isso limitados, selagem a quente, se- lagem ultrassônica, ou obturação com tinta, epoxi, uretano, cola fundida a quente, ou outros materiais adequados. Numa concretização preferida do método de vedação, um tecido de membrana de fibra oca é criado com as extremidades de fibras abertas sobre as bordas do tecido. As fibras são dispostas em 90 fitas de fibras com um espaço entre cada fita. As fitas de filamentos formam o feixe de muitos milhares de fibras (por exemplo, cerca de 900.000 fibras). As extremidades da fibra vedadas por calor de arco enquanto o tecido é enrolado em torno do tubo 21. Alternativamente, a borda do tecido pode ser pintada ou mergulhada em epóxi ou fundida a quente antes do tecido a ser enrolado em torno do tubo 21.

[027] Independentemente do método de vedação, as 90 fitas de fibras acabam vedadas juntas de uma maneira predeterminada, desse modo formando grupos de fibras, em oposição a fibras individuais. Estes grupos fornecem um padrão de melhoria de distribuição do fluxo de alimentação.

Resultados do Teste

[028] Módulo de membrana protótipo de extremidade única (“SE”) de 12 polegadas de diâmetro por 41 polegadas de comprimento (30,48 cm x 104,14 cm) feito de acordo com esta invenção foi testado com ar a taxas de fluxo variadas. Um módulo de membrana padrão de 12 polegadas (30,48 cm x. 104,14 cm) foi testado nas mesmas condições. O desempenho destes módulos foi comparado um contra o outro e contra modelos de computador que simulam o desempenho em contraflu- xo ideal (SB) e desempenho de fluxo cruzado ideal (padrão).

[029] Tanto o SE e módulos padrão foram testados em uma variedade de condições de fluxo com ar a 25 psig. Os resultados deste teste, traçados pelo teta de fluxo, definido como a razão do fluxo de permeado para o fluxo de alimentação são mostrados nas Figuras 4 e 5. Ao comparar as taxas de fluxo de permeado, o módulo SE tem aproximadamente capacidade 60% maior do que aquele módulo padrão (ver Figura 4). Este é um resultado inesperado e surpreendente porque existe apenas aproximadamente 15% mais área de superfície no módulo SE em relação ao módulo padrão neste exemplo. O módulo SE tem porcentagem de O2 permeado mais elevada e porcentagem de O2 não permeado mais baixa de por toda a faixa de fluxos (ver Figura 5). A margem de desempenho de separação melhorado para o módulo SE aumenta conforme o fluxo de alimentação é reduzido. O módulo SE é capaz de atingir % de O2 significativamente menor no fluxo de não permeado (1,5%) do que o módulo padrão (6,2%).

[030] Os resultados do teste de ar acima foram então comparados com os modelos de simulação por computador ideais para cada módulo, ou seja, contrafluxo para o módulo SE e fluxo cruzado para o módulo padrão (ver Figura 6). Para cada teta, um fluxo de O2 e um alfa O2/N2 foram determinados para que os modelos de computador ideais coincidissem com o desempenho do módulo real observado.

[031] Para ambos os tipos de módulos, conforme teta aumentava o fluxo de O2 determinado e alfa O2/N2 diminuíam. Isto sugeriu que o desvio do desempenho ideal aumenta à medida que teta aumenta.

[032] O fluxo de N2 determinado para o desempenho ideal permaneceu constante ao longo de toda a faixa de fluxos. Em 0,35 teta, o fluxo de O2 efetivo e fluxos de N2 são 35% e 45% superiores, respectivamente, para o módulo SE do que o módulo padrão. Esses fluxos mais elevados para o módulo SB foram inesperados e surpreendentes, e pode ser o resultado do padrão de contrafluxo forçando o gás de alimentação para ter um contato melhor e mais longo com as fibras da membrana. Os fluxos mais elevados, combinados com o 15% de área ativa adicional, podem explicar os 60% de maior capacidade observada do módulo SE.

[033] O método utilizado para prever como um módulo ideal de- veria se desempenhar era: (1) usar o fluxo de O2 e valores alfa O2/N2 que foram calculados na condição de baixo teta - 15,2 fluxo de O2 e 5,2 alfa O2N2 para o módulo SE e 11,2 fluxo de O2 e 5,6 alfa O2/N2 para o padrão - e (2) manter esses valores constantes enquanto se prevê o desempenho de separação nas condições de teta progressivamente mais elevadas: Os resultados destas previsões de desempenho serão apresentados com o desempenho do módulo real nas Figuras 7-10, Figuras 7 e 8 mostram que o desempenho real de ambos os módulos se desvia do desempenho previsto conforme teta é aumentada. A diferença é vista principalmente no fluxo não permeado 02%. O fluxo de % de O2 permeado para ambos os módulos vai relativamente perto do previsto.

[034] O módulo SE é capaz de alcançar uma % mais baixa de 02 no fluxo de não permeado do que é o módulo padrão (Ver Figura 5). Os modelos de computador ideais preveem esse resultado (ver Figuras 7 e 8).

[035] O desempenho no teste de ar do módulo padrão apresentou maior desvio de um modelo ideal de computador de fluxo cruzado, conforme fluxo de alimentação foi reduzido, do que o módulo SE do modelo de contrafluxo ideal. O modelo de contrafluxo ideal previu que o módulo SE conseguiria uma % de O2 não permeado inferior (0,5%) para o ar à pressão de alimentação de 25 psig que o modelo ideal de fluxo cruzado previu (4,2%) para o módulo padrão. Como mencionado acima, o módulo SB conseguiu 1,5% de O2 não permeado em comparação com 6,2% para o módulo padrão.

[036] As Figuras 9 e 10 mostram que as taxas de fluxo reais e previstas para ambos os tipos de módulos são essencialmente as mesmas. O desempenho no teste de ar do módulo SE segue muito próximo o desempenho previsto pelo modelo de computador.

[037] Embora o teste de ar seja simplesmente transporte de difu- são a taxas de fluxo muito baixas, várias conclusões podem ser alcançadas sobre o desempenho de um dispositivo de separação feito de acordo com esta invenção: - Módulo 10 supera um módulo padrão de tamanho equivalente em um teste de ar a 25 psig Tanto em capacidade como separação; - Inesperada e surpreendentemente, o módulo 10 tem 60% mais de capacidade do que um módulo padrão de tamanho equivalente e tem fluxos de O2 e N2 efetivos que são 35% e 45% mais elevados do que o módulo padrão; e - Desempenho da separação do módulo 10 quase alcança o contra fluxo ideal muito provavelmente por causa do espaçamento uniforme entre as fibras 31 na extremidade de fluxo não permeado 43 (a extremidade da fibra vedada) do feixe de fibras 30.

[038] Embora concretizações preferidas de dispositivo ou módulo 10 de separação de fluido de fibra oca, com carcaça de alimentação lateral de extremidade única tenha sido descrito, o escopo da invenção está definido pelas reivindicações a seguir. As pessoas com conhecimentos normais na técnica poderiam fazer modificações aos elementos específicos listados nessas reivindicações sem se afastar do escopo das reivindicações Se as modificações forem insubstanciais, triviais ou são equivalentes em função, forma, e resultado para os elementos enumerados.

Claims

1. Dispositivo de separação de membrana de fibra oca (10), o dispositivo (10) caracterizado pelo fato de que é disposto para con- trafluxo e compreendendo: um invólucro de pressão de forma cilíndrica (11) tendo uma abertura de entrada de fluido de alimentação (13), uma abertura de saída de fluido não permeado (15), e uma abertura de saída de fluido permeado (17); um cartucho de forma cilíndrica (20) disposto coaxialmente com o revestimento (11), o cartucho (20) tendo um elemento de núcleo interno de forma tubular (21) e uma pluralidade de membranas de fibra oca (31) dispostas em um feixe (30) em torno do elemento de núcleo interno (21); o elemento do núcleo interno (21) do cartucho (20) estando em comunicação com o orifício de entrada de fluido de alimentação (13) do revestimento (11), uma extremidade do elemento de núcleo interno (21) sendo perfurada e terminando em uma chapa de tubos (19); cada membrana de fibra oca (31) do feixe (30) tendo uma extremidade aberta (39) para uma extremidade de saída de fluido permeado (17) do revestimento (11) e uma extremidade de fibra vedada (43) na direção de uma extremidade de saída de fluido não permeado (15) do revestimento (11); um defletor (45) disposto sobre a periferia externa do feixe (30) para forçar um fluxo de fluido de alimentação se deslocar entre a extremidade da fibra aberta (39) e a extremidade de fibra vedada (43) para se deslocar paralelo às membranas de fibras ocas (31) e em uma direção contrária a um fluxo de fluido no interior de cada membrana de fibra oca (31); a chapa de tubos (19) encapsulando a extremidade da fibra aberta (39) do feixe (30), a outra extremidade do feixe de fibras ocas (30) sendo a extremidade da fibra vedada (43).

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda as membranas de fibras ocas (31) estando uniformemente espaçadas sobre a extremidade da fibra vedada (43) do feixe (30).

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma parte das extremidades da fibra vedada (43) são unidas para formar grupos de fibras.

4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a extremidade da fibra vedada (43) é uma extremidade da fibra vedada por calor ou uma extremidade da fibra obturada.

5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a extremidade da fibra vedada (43) está isenta de chapa de tubos.

6. Dispositivo (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a extremidade da fibra vedada (43) não obstrui o fluxo de fluido de alimentação.